王昉顥，涂懷年

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汽車側(cè)翻分析及試驗(yàn)檢測

王昉顥，涂懷年

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

汽車在行駛中側(cè)翻是最為嚴(yán)重威脅乘員安全的一種事故，其與汽車穩(wěn)定性和人員操縱密切相關(guān)。造成汽車側(cè)翻的因素很多，為了明晰汽車發(fā)生側(cè)翻的原因，對(duì)汽車發(fā)生側(cè)翻和對(duì)汽車靜態(tài)穩(wěn)定性檢測進(jìn)行了分析闡述，以便明晰防范汽車側(cè)翻的方法。

汽車；側(cè)翻；試驗(yàn)；模擬計(jì)算；防范

前言

汽車在行駛過程中發(fā)生側(cè)翻事故率是5%左右，雖然概率不高，但事故造成的死亡率卻高達(dá)30%到40%，汽車側(cè)翻是影響車內(nèi)及車外人員安全的嚴(yán)重事故。影響汽車側(cè)翻穩(wěn)定性因素很多，汽車自身因素有汽車重心高度、輪距、懸架型式、過度轉(zhuǎn)向、主動(dòng)防范系統(tǒng)等等，外界因素有路面附著系數(shù)、車速、轉(zhuǎn)彎半徑、駕駛員操作、以及天氣環(huán)境等等，所以汽車側(cè)翻是在人、車、路、自然相互影響及相互作用下產(chǎn)生的結(jié)果。

外界影響汽車側(cè)翻因素十分復(fù)雜，而且大部分因素難以控制，改善效果有限。很多汽車生產(chǎn)企業(yè)致力于研究改善汽車自身狀態(tài)，以簡單有效的方法是提升汽車主動(dòng)安全系數(shù)，來提高汽車側(cè)翻穩(wěn)定性。

1 汽車側(cè)翻分析

在特殊天氣下，如雨雪天氣，使得路面的摩擦系數(shù)變小，或者過度磨損的輪胎和錯(cuò)誤的輪胎氣壓等，均可減小摩擦系數(shù)，加之駕駛員對(duì)汽車操作不當(dāng)?shù)雀鞣N因素影響，都有可能造成汽車的翻車，尤其彎道超速和突發(fā)情況下過度調(diào)整方向，極容易造成汽車側(cè)滑或翻車。

圖1

汽車側(cè)翻的機(jī)械特性可通過轉(zhuǎn)彎過程中穩(wěn)定車身的受力均衡性來分析。汽車在轉(zhuǎn)彎過程中，會(huì)產(chǎn)生地面作用在輪胎上的側(cè)向平衡力f和作用在汽車重心上的側(cè)向加速度，如圖1所示。通常重心偏高、輪距較窄的汽車，尤其是卡車，載重量大、重心高，在轉(zhuǎn)彎時(shí)汽車慣性也大，更加容易翻車。

汽車側(cè)翻基本分為兩種：一種是“絆倒”側(cè)翻，當(dāng)側(cè)向加速度大于輪胎與地面的橫向摩擦力時(shí)，汽車就會(huì)發(fā)生側(cè)滑，如與路面上的障礙物側(cè)向撞擊而將其“絆倒”；另一種是曲線行駛引起的側(cè)翻，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)向加速度隨未大于輪胎與地面摩擦力，但側(cè)向加速度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩抬升車輛內(nèi)側(cè)輪胎，造成內(nèi)側(cè)輪胎支撐重力的反力為零時(shí)而引起的汽車側(cè)翻。如圖2所示當(dāng)汽車側(cè)翻開始發(fā)生，汽車重心位置升高并以圓弧的軌跡向外側(cè)車輪偏移，使平衡側(cè)向加速度能力減小。

圖2

當(dāng)汽車發(fā)生傾斜時(shí)，如果車速和轉(zhuǎn)彎半徑未發(fā)生變化，如圖3所示，側(cè)向加速度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩會(huì)逐漸增大，而重力產(chǎn)生的反向穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩會(huì)逐漸減小，從而加速汽車的側(cè)翻。所以在公路設(shè)計(jì)中，合理考慮在道路轉(zhuǎn)彎處設(shè)計(jì)一定的橫向坡度，用道路外側(cè)比內(nèi)側(cè)高的曲度加大汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)重力克服側(cè)向加速度產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力。同時(shí)，在轉(zhuǎn)彎過程中駕駛員也要?jiǎng)?wù)必降低車速，來降低側(cè)向加速度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。以便提高汽車的橫向穩(wěn)定性。

圖3

2 側(cè)翻試驗(yàn)檢測

汽車側(cè)翻簡單的可以歸納為側(cè)向力（主要是側(cè)向加速度）與地面阻力（摩擦力或障礙物阻力）作用下產(chǎn)生的扭矩而造成的汽車翻轉(zhuǎn)。如果對(duì)行駛中的汽車進(jìn)行側(cè)翻試驗(yàn)，試驗(yàn)中發(fā)生人員和汽車的事故風(fēng)險(xiǎn)比較大，所以我國現(xiàn)行對(duì)側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)檢測是利用側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)對(duì)汽車靜態(tài)側(cè)傾角度進(jìn)行判定，同時(shí)國家在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)汽車最小側(cè)傾穩(wěn)定角限值也做了強(qiáng)制性規(guī)定。

GB7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》4.6條款和消防車第1部分：通用技術(shù)條件GB7956.1-2014 規(guī)定的各車型最小側(cè)傾穩(wěn)定角度如表1所示。

表1

2.1 側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)操作

汽車的側(cè)翻試驗(yàn)應(yīng)在符合GB/T 14172《汽車靜側(cè)翻穩(wěn)定性臺(tái)架試驗(yàn)方法》要求的側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)經(jīng)過校驗(yàn)合格并且在有效期內(nèi)。

在試驗(yàn)前，要對(duì)側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，并且啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，使空載試驗(yàn)臺(tái)上升至45°（或測試要求的最大角度），根據(jù)上升時(shí)間和上升角度計(jì)算上升速度，然后控制試驗(yàn)臺(tái)下降，使試驗(yàn)臺(tái)面傾斜角度回復(fù)為0°，根據(jù)下降時(shí)間和下降角度計(jì)算下降速度。若上升速度不大于10°/min，下降速度不大于27°/min可進(jìn)行側(cè)翻試驗(yàn)。

在試驗(yàn)準(zhǔn)備過程，將汽車縱向?qū)ΨQ平面與試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中心線平行，并實(shí)施駐車制動(dòng)。在側(cè)翻中心一側(cè)輪邊處安裝防側(cè)滑擋塊對(duì)車輪進(jìn)行阻擋，使汽車無法滑動(dòng)，并且安裝專用的防側(cè)翻安全設(shè)備，安全設(shè)備對(duì)汽車的約束力在汽車達(dá)到側(cè)翻臨界狀態(tài)前均應(yīng)為零。在汽車裝有載荷進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)模擬載荷進(jìn)行適當(dāng)定位，以防側(cè)翻時(shí)發(fā)生突然位移造成事故。

2.2 側(cè)翻數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)時(shí)側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)角度α不斷的增大，當(dāng)汽車重力分解在對(duì)側(cè)翻臺(tái)的壓力和下滑力對(duì)汽車產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相等時(shí)，此時(shí)汽車側(cè)翻達(dá)到臨界位置，在忽略懸架和輪胎彈性變形的情況下，G·h1·sinφ=G·h2·cosφ時(shí)，為汽車側(cè)翻的臨界點(diǎn)，如圖4所示。

圖4

但在實(shí)際情況下，當(dāng)汽車產(chǎn)生側(cè)向力時(shí)，一側(cè)懸架及輪胎承載力會(huì)大于另一側(cè)，兩側(cè)輪胎承載力隨傾斜角α增加而變化，這樣造成一側(cè)彈性元件變形大于另一側(cè)，使重心位置發(fā)生偏離，如圖5所示。從而加劇了車身的傾斜，所以當(dāng)實(shí)際汽車側(cè)翻達(dá)到臨界位置時(shí)，傾斜角度小于α。

圖5

考慮到汽車重心位置未在汽車縱向中心線上，并且左右懸架系統(tǒng)剛度有可能存在差別，測試結(jié)果應(yīng)為汽車左、右側(cè)翻穩(wěn)定角三次測量結(jié)果的算術(shù)平均值，取值到十分，如果同側(cè)三次測量值相對(duì)誤差超過3%，應(yīng)重新測試。這種試驗(yàn)方法對(duì)于測量重心較高的和側(cè)翻角度較?。ㄒ话?0～35度）的卡車比較精確，對(duì)于側(cè)翻臨界點(diǎn)比較大的乘用車（大于45度）來說，作用在汽車上向下的重力分力大幅降低，從而導(dǎo)致汽車提前發(fā)生側(cè)翻，造成試驗(yàn)失效，所以在試驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)或施加一個(gè)側(cè)向力于重心位置。

3 側(cè)翻模擬計(jì)算

汽車裝載在側(cè)翻臺(tái)上試驗(yàn)需要滿足：1）總質(zhì)量為最大允許總質(zhì)量；2）各軸軸荷不得超過最大允許軸荷；3）用水或其他非危險(xiǎn)品作為替代載荷裝載進(jìn)行試驗(yàn)，罐體充裝率不得小于70%；4）有隔倉的罐體要分倉裝載，車軸或車軸處重心高度應(yīng)接近實(shí)際高度。對(duì)于無法滿足以上試驗(yàn)負(fù)載的汽車，應(yīng)采用模擬計(jì)算法。對(duì)于側(cè)翻模擬計(jì)算需要設(shè)定幾個(gè)基本條件：1）車軸側(cè)傾中心設(shè)定于地面；2）車身結(jié)構(gòu)為剛性；3）汽車具有對(duì)縱向中心線的對(duì)稱性；4）輪胎和懸架系統(tǒng)的負(fù)載與變形呈線性；5）不計(jì)懸架水平方向變形。

在側(cè)翻模擬計(jì)算中，首先根據(jù)公式（1）計(jì)算每個(gè)軸的懸架的側(cè)傾剛度和公式（2）計(jì)算每個(gè)軸的虛擬車輛側(cè)傾角。

CDRESi為著地點(diǎn)復(fù)合總側(cè)傾剛度（kN·m/rad）

i 為懸架裝置序標(biāo)

FGVi為單側(cè)懸架垂直方向線性剛度（kN·m/rad）

TNi為車軸上車輪名義輪距（m）

MAi為輪胎寬度（m）

HN為簧上重量重心的高度（m）

mi為著地點(diǎn)懸架滾動(dòng)軸線名義高度（m）

FRVi為軸輪胎總垂直方向線性剛度（kN·m/rad）

Φi 為輪子離地時(shí)虛擬車輛側(cè)傾角度（rad）

TNi為車軸上車輪名義輪距（m）

MAi為輪胎寬度（m）

根據(jù)以上公式計(jì)算出每個(gè)懸架裝置的側(cè)傾剛度和虛擬車輛側(cè)傾角后進(jìn)行各參數(shù)總值計(jì)算。

TT為平均有效輪距（m）

Ai為懸架裝置負(fù)載（kN）

AT為車輛總重（kN）

AK為牽引銷座上載重（kN）

TK為半掛車輪距（m）

CDREST為總側(cè)傾剛度（kN·m/rad）

CDRESi為著地點(diǎn)復(fù)合總側(cè)傾剛度（kN·m/rad）

CDRESk為牽引銷傾剛度（kN·m/rad）

qm為第 1 個(gè)輪子離地時(shí)的側(cè)向加速度與重力加速度的比值

qT為理論上翻轉(zhuǎn)時(shí)側(cè)向加速度與重力加速度的比值的最大理想值

AM為帶有最低Φ值的懸架裝置的車軸載荷（kN）

TM為帶有最低Φ值的懸架裝置的輪距（m）

TT為平均有效輪距（m）

CDRESM為帶有最低Φ值的懸架裝置的側(cè)傾剛度（kN·m/rad）

CDREST為總側(cè)傾剛度（kN·m/rad）

AT為車輛總重（kN）

HG為車輛重心的高度（m）

UT為車輛簧下總重（kN）

HN為簧上重量重心的高度（m）

對(duì)i軸第 1 個(gè)輪子離地時(shí)的側(cè)向加速度與重力加速度比與最大理論值采用線性插值法計(jì)算得到翻轉(zhuǎn)時(shí)修正的側(cè)向加速度和重力加速度的比值：

qC為修正的側(cè)向加速度和重力加速度的比值

最后根據(jù)修正的側(cè)向加速度和重力加速度的比值qC進(jìn)行反正切arctg（qC）計(jì)算得出模擬計(jì)算的側(cè)翻角度。

4 側(cè)翻防范分析

對(duì)汽車側(cè)翻防范可以通過汽車自身因素，比如降低汽車重心，增加輪距等來改善，但是由于汽車通過性和國標(biāo)限值等要求，對(duì)改變汽車狀態(tài)有了一定的限制。

現(xiàn)階段最直接、最有效的方法就是在汽車中加入了防側(cè)翻的主動(dòng)安全系統(tǒng)，常用的是電子穩(wěn)定系統(tǒng)(Electronic Stabili -ty Program，簡稱ESP)和防側(cè)翻穩(wěn)定性控制（Roll Stability Control，簡稱RSC）。

電子穩(wěn)定系統(tǒng)包含防抱死剎車系統(tǒng)（ABS）和驅(qū)動(dòng)輪防滑系統(tǒng)（ASR），是車身穩(wěn)定性控制的綜合策略，也可以說它是兩種系統(tǒng)上的一種延伸的功能，在提升汽車操控性的同時(shí)、有效的防止汽車達(dá)到其動(dòng)態(tài)極限時(shí)失控，從而提升汽車的安全性和操控性，同時(shí)起到防止汽車發(fā)生側(cè)翻。

電子穩(wěn)定系統(tǒng)由電子控制單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行裝置三大部分組成，通過輪速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、側(cè)向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器、制動(dòng)主缸壓力傳感器等感知汽車運(yùn)行狀態(tài)，將信號(hào)輸送至電子控制單元，由執(zhí)行裝置對(duì)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)及制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)和調(diào)整。其主要對(duì)汽車縱向和橫向穩(wěn)定性進(jìn)行控制，保證汽車按照駕駛員的意識(shí)行駛。

防側(cè)翻穩(wěn)定性控制是基于ABS的防側(cè)翻穩(wěn)定性控制，相對(duì)于電子穩(wěn)定系統(tǒng)而言，它主要應(yīng)用于高附著系數(shù)路面，相對(duì)成本較低，而且也較容易實(shí)現(xiàn)。防側(cè)翻穩(wěn)定性控制是在RSC系統(tǒng)的電控單元中加入了一個(gè)橫向加速度傳感器，實(shí)時(shí)測量汽車的橫向加速度，并計(jì)算臨界加速度限制，當(dāng)橫向加速度接近這一臨界點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)激活原有的ASR電磁閥和驅(qū)動(dòng)橋的ABS電磁閥，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行制動(dòng)，降低車速，從而控制汽車的行駛穩(wěn)定性，并且，RSC系統(tǒng)會(huì)通過CAN總線同時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和緩速器的輸出扭矩，有效的避免翻車事故的發(fā)生。

5 總結(jié)

介于汽車發(fā)生側(cè)翻對(duì)人員安全影響很大，汽車的重心、輪距、懸架、轉(zhuǎn)向、主動(dòng)安全部件等諸多參數(shù)配置的確定在設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)應(yīng)高度重視，在標(biāo)準(zhǔn)限值和滿足汽車用途的前提下，盡量降低重心、加寬輪距、提升懸架剛度、增加主動(dòng)安全部件等。同時(shí)道路轉(zhuǎn)彎橫向坡道、半徑、附著系數(shù)及限速的設(shè)計(jì)也要充分考慮防止汽車發(fā)生側(cè)翻事故。通過以上的分析，對(duì)汽車和道路設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的理論支持。

[1] 韓建保,云志剛,陳厲兵.汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP的工作原理及應(yīng)用.汽車電器.2004年第4期.

[2] 機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件.GB 7258-2017.

[3] 汽車靜側(cè)翻穩(wěn)定性臺(tái)架試驗(yàn)方法.GB/T 14172-2009.

[4] N類和O類罐式車輛側(cè)傾穩(wěn)定性. GB 28373-2012.

Analysis and Test of Vehicle Rollover

Wang Fanghao, Tu Huainian

( Shaanxi Heavy Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

Vehicle rollover is the most serious accident threatening the safety of passengers, which is closely related to vehicle stability and personnel manipulation. There are many factors that cause vehicle rollover. In order to clarify the causes of vehicle rollover, the vehicle rollover and the static stability test are analyzed and elaborated in order to clarify the methods to prevent vehicle rollover.

Vehicle; Rollover; Testing; To guard against

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1671-7988(2019)09-164-04

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王昉顥，就職于陜西重型汽車有限公司。

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